边缘计算模式高校智慧校园建设研究

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摘要:本文针对目前教育信息化过程中众多高校智慧校园建设中存在的问题，分析了边缘计算应用特点；结合智慧校园业务需求和场景，均衡考虑网络性能指标与投入成本等因素，提出了一种基于边缘计算模式的高校智慧校园建设方案，给出了基于边缘计算模式的智慧校园网络架构。该方案根据智慧校园的业务处理需求，选取以数据处理为主的计算型边缘计算服务器，侧重网络侧的边缘计算，并根据智慧校园需求特点对部分功能、性能、可靠性进行增强。同时基于边缘计算的智慧校园管理模式采用的是“集中+分布”方式，这种方式可大大降低用户访问延迟，增强网络稳定性。

关键词:教育信息化；边缘计算；智慧校园；信息化服务；智能校务

1引言

教育信息化一直以来都是政府非常重视的一项工作，国家教育部分别在2012年、2016年和2018年颁布了《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》、《教育信息化“十三五”规划》和《教育信息化2.0行动计划》[1-3]。这些政策文件对我国教育信息化工作的任务、目标、实施措施等都给出了指导部署，强调“人工智能、大数据、区块链等信息技术与教育的深度融合，并借助信息技术提高教育管理水平和教育质量，把智慧教育探索与实践列为重中之重”。因此，目前高校信息化工作已经迈入了智慧校园建设阶段。智慧校园的主要特点是融合创新、智慧管理、业务集成，基础设置也从网络到边缘计算、云计算等多元化的模式[4-5]。智慧校园整合集成教学、科研、办公服务等众多应用，需要更高更新的技术和工具为支撑，借助边缘计算、云计算等高性能计算平台和网络，对教学、科研、办公服务等众多应用的大数据进行整合挖掘分析，构建智慧化的管理、教学、科研和生活模式，从而提高信息利用率、提高学校的管理水平和教育质量。

2智慧校园建设存在问题

通过对目前学校的大量调研发现，在智慧校园建设方面还存在很多亟需解决的问题。2.1网络支持能力。由于设备和经费等因素，目前很多学校校园网络带宽低，无法满足当今实际教学及管理工作需求，网络结构不合理、网络拥堵现象严重，核心交换机故障频发；且在网络管理及上网行为管理等方面有所欠缺，很难对整个网络进行有效管理。综上所述，目前高校网络核心交换能力较差、支持能力薄弱，很多高校目前的网络组织架构无法满足智慧校园大数据量、多用户群和多应用平台的建设需求，必须根据智慧校园需求对现有校园网络架构进行升级改造，以满。2.2数据处理能力。智慧校园中涉及到的各种信息数据的存储、共享和都需要海量的存储空间，其数据中心、统一认证平台、智慧办公等应用环节也都需要足够的存储空间、很好的扩展性和兼容性。而且智慧校园对数据存储时长和核心业务系统的备份保障能力也提出了更高的要求，而现有服务器的质量、数量和容量等方面都不能很好满足这些需求，因此数据处理能力亟需提升。因此，除了对部分设备的增补外，还需要结合边缘计算和云计算技术来实现智慧校园资源的部署，从而实现智慧校园对网络、计算和存储资源的动态弹性需求。2.3信息化服务能力。首先，目前很多学校存在比较严重的信息孤岛现象，教学、科研、办公等系统间数据无法很好地规范统一和资源共享，各系统之间无法很好地互联互通，无法充分利用教学资源。其次，知识资源服务能力无法满足智慧校园的需求，设施设备损耗也比较严重，故障率较高，且设备配置较低，性能落后。同时现有的数字信息系统设计理念落后、功能较弱，在兼容性和扩展性等方面都比较差。再次，缺乏统一的数字信息资源共建共享平台。学校业务缺乏有机融合，很多应用服务对教学、科研、办公等仅起到了基础支撑和服务作用，缺乏与教学、科研、办公管理的深度融合。因此，现有系统需要借助边缘计算和云计算等新兴技术来建立教学、科研和办公等应用为一体的信息服务平台，从而整合相关信息资源来适应智慧校园中海量数据和智能化的需求。通过以上分析可知，智慧校园的建设重点主要体现在统一支撑平台、数据共享和业务协同、智能校务管理和智能辅助决策等几个方面。而这都需要智能化的信息数据抽取、整合和挖掘等，需要更先进的技术来实现。

3边缘计算模式

目前智慧校园建设的基础设施很多基于云计算模式[6]，但是云计算数据中心压力日益严重，而且其通过公网传输的延迟问题也是必须考虑的，同时云计算服务的费用也是众多学校尤其是在财政资金方面不够充足的学校要重点关注的。对此，本文提出采用基于边缘计算的模式架构进行智慧校园建设。边缘计算是继云计算后涌现的另一种新的计算模式。它的实现是在网络边缘端，因为在地理位置和网络位置两个方面都比云计算更贴近用户，更适用于局部性、实时、短周期数据的处理与分析，能更好地支撑本地业务的实时智能化决策与执行。因此，相对于云计算，边缘计算更适合智慧校园这类业务。目前关于边缘计算平台的研究很多，其中较著名的有ParaDrop、Cloudlet、PCIoud[7]，而Cloudlet衍生了开放的边缘计算联盟[8]。边缘计算尽可能地将相应的数据在接近数据源一侧进行处理，这样可很大程度上减少网络传输压力和公网的传输延迟，因此使得数据处理的效率大幅度提高。

4智慧校园建设

根据目前智慧校园建设中存在的问题、边缘计算的应用分析和学校的实际情况，并借鉴边缘计算的部署方案[9-10]，基于边缘计算模式的智慧校园系统部署需要考虑以下几个方面的因素：（1）智慧校园业务需求和场景是首要考虑的因素。面向智慧校园业务的边缘计算部署需要充分考虑该业务场景的市场容量及网络部署可行性，基于边缘计算的智慧校园架构部署都需要充分考虑智慧校园的业务场景和具体需求进行部署，通过边缘计算、已有校园网络、Internet公网三者的结合，通过优势互补更好实现智慧校园建设。（2）智慧校园的网络性能指标与投入成本均衡考虑。基于边缘计算的智慧校园架构部署时要充分考虑边缘基础设施、网络延迟、带宽大小、数据安全等因素的影响。同时还要与学校目前已有校园网络的实际结合，充分利用已有资源，节省投入成本，考虑性能与成本的均衡。（3）选择合适的边缘设施。选择合适的边缘设施是基于边缘计算模式的智慧校园部署的前提和重要保障。根据智慧校园的业务处理需求，在建设智慧校园时选取的边缘计算服务器采用以数据处理为主的计算型平台，采用Intel的X86设备处理架构，侧重网络侧的边缘计算：结合已有网络机房及拟建立的边缘机房设施的选择与制定，并根据智慧校园本身的需求特性适当进行增补。（4）选择适合智慧校园系统的边缘计算管理模式。根据智慧校园的架构，基于边缘计算模式的智慧校园在管理方面可以采用“集中+分布”的方式进行部署：用户访问都通过边缘计算管理平台，边缘节点同时负责业务分发、部署、升级等。考虑到学校边缘节点资源限制，需尽量减少业务及资源管理开销。因此，边缘节点管理平台仅提供基本运维环境和运维工具，以及对数据采集、协议转换和异构网络接入等功能的支持。通过以上分析，基于边缘计算的智慧校园系统部署采用如图1所示的总体框架。采用网络功能虚拟化技术可以将边缘计算和核心网络更灵活地在虚拟化平台上实现。通过智慧校园的边缘网关和服务器。因为在智慧校园系统中，用户的部分请求是可以在校园网内完成的，因此可以将这部分任务卸载到边缘计算利用边缘服务器及其中的数据完成，这样可以大大降低用户访问延迟，而部分用户的访问任务仍需上传至Internet公网处理完成。由图1可知，在基于边缘计算的智慧校园系统框架中，边缘计算位于接入网络和核心网络之间，这样的架构部署使得网络的中间层更少，网络组织架构更加简洁，满足了智慧校园在网络延迟方面的需求特性，并且弱化了智慧校园业务中交互访问对网络延迟的影响，很大程度上增强了网络的稳定性。

5结束语

本文提出了一种基于边缘计算模式的高校智慧校园建设方案，给出了基于边缘计算模式的智慧校园网络架构，极大程度地解决了目前教育信息化过程中众多高校智慧校园建设中存在的问题。该方案根据边缘计算应用特点，结合智慧校园业务需求和场景，均衡考虑了网络性能指标与投入成本等因素，选取了适合智慧校园业务处理需求边缘计算设施和部署管理模式。利用网络虚拟化技术将边缘计算、已有校园网络和Internet公网三者有机结合，通过优势互补更好地实现了智慧校园的建设，为教育信息化提供了支持和借鉴。

作者:王昱 左利云 单位:1.广东石油化工学院网络与教育信息技术中心 2.广东石油化工学院计算机学院